CN112882146A - 二维全斯托克斯偏振成像元件及其制备方法 - Google Patents

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胡敬佩
张冲
曾爱军
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    • G02B5/3025—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state
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Abstract

一种二维全斯托克斯偏振成像元件，属于光学器件，可以用来实现实时偏振成像。由透光基底和位于透光基底上的旋转对称介质结构层构成。其中的介质结构层由四个不同取向的线性光栅和两个不同旋转方向的对称结构阵列构成。该元件可以通过电子束曝光和显影技术以及离子束刻蚀等工艺流程制得。该全斯托克斯偏振成像元件性能优异，在1.54μm波段，对线性偏振光，透过率可以超过92.5％，消光比达到33.57db；圆偏振二色性超过92％。对圆偏振光，偏振透过率大于95％，圆偏振二色性达到94.3％，消光比大于45:1。同时其结构简单，性能优异，易于制作，在光学传感、光学成像等领域具有很大的应用价值。

Description

二维全斯托克斯偏振成像元件及其制备方法
技术领域
本发明涉及偏振光学元件，具体涉及一种全斯托克斯偏振成像元件及其制备方法。
背景技术
偏振成像技术是光学领域的一种新技术，光的偏振特性能够提供目标的光强图像无法显示的表面粗糙度、纹理走向、表面取向、表面电导率、材料理化特征、含水量等特征，对物体轮廓和表面去向识别具有明显的优越性，偏振成像技术在大气、自然地物、人工目标、医学诊断以及天文学探测领域具有广泛应用。例如：对隐藏或伪装目标探测；对不同物质检测；模糊轮廓(指纹、碑文等)识别；烟雾环境去雾成像；进行癌症、烧伤等医学诊断；用于星载或机载遥感等。偏振成像技术与现有的成像系统相比，增加了对光线的各个偏振分量进行测量，然后的得到Stokes矢量图或Mueller图，进而进行分析计算得到更多的特征信息。
偏振成像技术中，重要的步骤是获取不同偏振方向的信息。现有的焦平面偏振相机通过ccd相机的像素做一层偏振器件，可以同时获得物体不同偏振方向上的偏振信息，实现实时偏振成像，但是现存的相机仅能够探测线偏振矢量，无法对圆偏振分量进行有效的探测。在偏振光成像中，圆偏振光在大颗粒散射介质中具有独特的优势，如在水底、烟雾、云层以及生物组织中圆偏振光的成像质量要优于线偏振光。因此增加对圆偏振光的获取可以提高雾霾、云雾等恶劣天气环境中的穿透性。
随着含表面等离子波的亚波长结构器件与技术的发展，许多课题组在利用纳米微结构区分左右旋圆偏振光方面做了大量的研究工作。例如公开号为CN101852884B和CN101782666B专利文献通过在介质基地上放置周期性的双螺旋状和螺旋状金属线来实现对左旋和右旋圆偏振光的选择性透过。这些圆偏振检测单元结构为复杂的三维结构，工艺复杂，成本昂贵，并且消光比小透过率低。
发明内容
本发明为一种二维全斯托克斯偏振成像元件，可以实现实时偏振成像，并且性能优良，透过率高、加工简单，制备工艺成熟，适合批量加工制备，具有很高的商业化应用前景。为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种二维全斯托克斯偏振成像元件，由透光基底和位于透光基底上的介质结构层构成，所述介质结构层由刻蚀形成的超像素单元阵列组成，所述的超像素单元由四个不同去向的线性光栅结构和两个不同旋转方向的手性对称结构构成。
所述的介质线栅结构的周期P为0.5～0.92μm，占空比范围为 0.8-0.9；4个不同取向的介质线栅结构与纵向方向的夹角分别为0°、45°、 90°以及135°。
所述的旋转对称结构为两个刻蚀凹陷的等大半圆柱构成，两个半圆柱沿着半圆柱面在直径方向错位构成旋转对称图形；半圆柱的周期P 为0.91-0.92μm，刻蚀深度H的变化范围为0.21～0.22μm，圆柱的底面半径R的范围为0.23μm，两半圆柱相对平移距离L为0.33-0.36μm。两个不同旋转方向的手性对称结构为左旋和右旋两种，将上半圆柱右移下半圆柱下左移定义为右旋结构，将下半圆柱右移上半圆柱下左移定义为右旋结构。
本发明中，所述介质结构层中介质线栅结构和旋转对称手性结构的刻蚀深度H一致，整个全斯托克斯偏振成像元件可以整体加工。
本发明中，所述的基地材料为二氧化硅。所述介质结构材料为硅、锗、砷化镓等半导体材料。其中二氧化硅为常用光学材料，透光性能好，价格便宜，硅等半导体材料加工工艺成熟，价格便宜。
本发明进一步公开了上述全斯托克斯偏振成像元件的制备方法，其包括如下步骤：
((1)利用化学气相沉积法在透光基底上生长需要的介质结构层。
(2)在半导体材料介质层上旋涂一层光刻胶负胶；
(3)制作对应掩模版，利用曝光显影技术对光刻胶进行曝光显影，将掩模图案转移到光刻胶上；
(4)利用反应离子束工艺刻蚀半导体材料介质层，得到目标结构，并清洗残余光刻胶后得到全斯托克斯偏振成像元件。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:
1.本发明原料为二氧化硅和硅，材料来源广泛、价格相对便宜。在加工方面，工艺成熟，精度高，误差小，制备简单，良品率高，可以进行大规模批量生产
2.本发明透过率高偏振二色性好。在1.54um，其中线偏振光的透过率达92.5％，消光比达到33.5db，偏振二色性超过92％；对圆偏振光，偏振透过率大于95％，圆偏振二色性达到94.3％，消光比大于45:1。
3.此结构为简单的线性和半圆形结构，整个全斯托克斯偏振成像元件可以整体加工，并且一次刻蚀，步骤简单，结构稳定，误差更容易控制。
附图说明
图1为实施例1的全斯托克斯偏振成像元件超像素结构示意图。其中：1、透明基底；2、光栅结构；3、手性对称结构；
图2为实施例1的超像素单元结构中光栅结构俯视图。其中光栅周期为p，光栅宽度w；
图3为实施例1的超像素单元结构中对称手性介质结构俯视图。其中，其结构周期为P；半圆柱底面半径为R；圆心距为L；刻蚀深度为H。
图4为实施例1中线偏振光(TE，TM)由基底入射到介质线栅结构后的透过率曲线图。
图5为实施例1中线偏振光(TE，TM)由基底入射到介质线栅结构后的消光比曲线图。
图6为实施例1中线偏振光(TE，TM)由基底入射到介质线栅结构后的二色性曲线图。
图7为实施例1中圆偏振光(RCP，LCP)由基底入射到旋转对称手性结构后的透过率曲线图。
图8为实施例1中圆偏振光(RCP，LCP)由基底入射到旋转对称手性结构后的消光比曲线图。
图9为实施例1中圆偏振光(RCP，LCP)由基底入射到旋转对称手性结构后的二色性曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1
请参见图1所示，本发明全斯托克斯偏振成像元件包括：1、透光基底；2、设置于透光基底上的四个不同方向的光栅介质结构；3、两个旋转对称手性介质结构。
所述透光基底材料为二氧化硅，介质结构的材料为硅。
所述的光栅结构俯视图如图2所示，周期0.77μm；介质结构的占空比0.88，所述的旋转对称手性介质结构的深度H为0.215μm。
所述的手性对称结构俯视图如图3所示，周期0.92μm；所述的旋转对称手性介质结构的深度H为0.215μm，圆心距L为0.36μm，半径R 为0.23μm。
该元件通过如下步骤制得：
(1)在二氧化硅表面利用电子束蒸发或者化学气相沉积法生长出一层硅；
(2)在硅层上使用匀胶机涂上一层电子束光刻胶负胶；
(3)利用电子束曝光和显影技术根据特定参数得到0°、45°、90°和135°不同取向的线栅和左右旋旋转对称手性结构的光刻胶结构图形；
(4)使用反应离子束刻蚀工艺刻蚀硅层，去除残余光刻胶得到全斯托克斯偏振成像元件。
附图4、附图5和附图6分别为线偏振光(TE，TM)由基底入射到介质线栅结构后的透过率曲线图、消光比曲线图以及二色性，其中 TE偏振光平行于光栅方向。在1.54μm波段，此元件对TM偏振光透过率达到92.5％。对两种偏振光的消光比达33.57db，偏振二色性超过92％。
附图7、附图8和附图9分别为左右旋圆偏振光(RCP，LCP)由基底入射到附图3所示的旋转对称手性结构后的透过率曲线图、圆偏振消光比以及圆偏振二色性曲线图。可以看出，在1.54μm波段此元件的对左旋圆偏振光的透过率达到95％。消光比达到45比1，偏振二色性达到94.3％。

Claims (6)

1.一种全斯托克斯偏振成像元件，包括透光基底和位于透光基底上的介质结构层，其特征在于，所述介质结构层由刻蚀形成的亚波长结构单元阵列组成，所述的亚波长结构单元由四个不同取向的线性光栅结构和两个不同旋转方向的手性对称结构构成。
2.根据权利要求1所述的斯托克斯偏振成像元件，其特征在于，所述的线性光栅结构的周期P为0.5-0.92μm，占空比范围为0.8-0.9μm，深度H的范围为0.21～0.22μm，线性光栅的四个取向分别为0°、45°、90°和135°。
3.根据权利要求1所述的全斯托克斯偏振成像元件，其特征在于，所述的手性对称结构为两个刻蚀凹陷的等大半圆柱构成，两个半圆柱沿着半圆柱面在直径方向错位构成旋转对称图形；半圆柱的周期P为0.91-0.92μm，刻蚀深度H的变化范围为0.21～0.22μm，圆柱的底面半径的范围为0.23μm，两半圆柱底面圆心距L为0.33-0.36μm；两个不同旋转方向的手性对称结构为左旋和右旋两种，将上半圆柱右移下半圆柱下左移定义为右旋结构，将下半圆柱右移上半圆柱下左移定义为右旋结构。
4.根据权利要求1、2和3所述的全斯托克斯偏振成像元件，其特征在于，线性光栅结构和旋转对称结构的刻蚀深度H相等，并且与介质结构材料厚度一致。
5.根据权利要求1或2所述的全斯托克斯偏振成像元件，其特征在于，所述的透光基底材料为二氧化硅透光基底材料，所述的介质结构材料为硅、锗或砷化镓半导体材料。
6.一种全斯托克斯偏振成像元件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用化学气相沉积法在透光基底上生长需要的介质结构层；
(2)在介质结构层上旋涂一层光刻胶负胶；
(3)制作对应掩模版，利用曝光显影技术对光刻胶进行曝光显影，将掩模图案转移到光刻胶上；
(4)利用反应离子束工艺刻蚀介质结构层，得到目标结构，并清洗残余光刻胶后得到全斯托克斯偏振成像元件。
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